JP5620932B2 - 内視鏡システム、内視鏡システムのプロセッサ装置、及び内視鏡システムの作動方法 - Google Patents

内視鏡システム、内視鏡システムのプロセッサ装置、及び内視鏡システムの作動方法 Download PDF

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Description

本発明は、面順次方式などの順次方式で得られた複数色の画像信号に基づいて、血中ヘモグロビンの酸素飽和度を算出し、画像化する内視鏡システム、内視鏡システムのプロセッサ装置、及び画像生成方法に関する。
近年の医療においては、内視鏡装置を用いた診断等が広く行われている。内視鏡装置による被検体内の観察としては、照明光として広帯域光の白色光を用いて被検体内の全体像を把握する通常光観察や、特定波長の照明光を用いて様々な観点から観察を行う特殊光観察が知られている。
通常光観察では、キセノン光などの広帯域光を被検体に照射し、その反射像をカラーの撮像素子で撮像して得たカラーの通常光画像をモニタに表示する他に、特許文献１及び２に示すように、広帯域光から色分離したＲＧＢの３色の光を被検体に順次照射し、その反射像を順次撮像して得られる３色分の画像を同時化したカラーの通常光画像をモニタに表示することが知られている。
特殊光観察においては、血中ヘモグロビンの吸光係数が高い波長域の照明光を用いることによって特定深さの血管を強調表示する血管強調観察の他、特許文献１に示すように、血中ヘモグロビンの酸素飽和度の変化により吸光度が変化する波長範囲を少なくとも含む複数波長の光を体腔内に順次照射し、その反射像を順次撮像すること（順次方式）により得られる複数フレームの画像から、酸素飽和度を画像化する酸素飽和度観察も知られている。これら血管強調観察や酸素飽和度観察によれば、通常光観察では発見が困難であった特定の癌の検出を容易する。
上記特許文献１のように、順次方式で画像を取得した場合には、画像の取得時間がそれぞれ異なるため、画像間で位置ずれや色ずれが生じるおそれがある。この位置ずれ等が生じた場合には、酸素飽和度を正確に画像化することができない。これに対して、特許文献１では、血管の位置を基準にフレーム間で位置合わせをすることによって、位置ずれの解消を図っている。
特開２０１１−１９４１５１号公報
上記特許文献１では、青色帯域における複数波長の画像信号を用いることで、主として表層血管の酸素飽和度の観察を行い、また、緑色帯域における複数波長の画像信号を用いることで、主として中層血管の酸素飽和度を行っている。しかしながら、内視鏡診断においては、表層血管の酸素飽和度、中層血管の酸素飽和度のいずれも、重要な情報となり得る。したがって、表層から中深層にかけて分布する血管の酸素飽和度を観察できる内視鏡システムが求められている。
表層〜中深層の血管の酸素飽和度を算出するためには、表層の生体情報を多く含む青色の画像信号と、中深層の生体情報を多く含む緑色及び赤色の画像信号が必要となる。これら酸素飽和度算出用の青色、緑色、赤色の画像信号を順次方式で取得する場合には、位置ずれ等が生じるため、各色の画像信号間で位置合わせを行う必要がある。しかしながら、それら各色の画像信号上に表れる像構造は異なっている場合が多い。
例えば、青色信号においては、表層血管が強調されている一方で、中深層血管は目立たなくなっている。これに対して、赤色信号においては、中深層血管が強調されている一方で、表層血管は目立たなくなっている。この場合、青色信号と赤色信号間で精度良く位置合わせすることは困難である。したがって、順次方式で得られた複数の色の画像信号に基づいて酸素飽和度を算出する場合であっても、各色の画像信号間の位置合わせを精度良く行うことが求められていた。
本発明は、順次方式で得られた複数の色の画像信号に基づいて酸素飽和度を算出する場合であっても、各色の画像信号間の位置合わせを精度良く行うことができる内視鏡システム、内視鏡システムのプロセッサ装置、及び画像生成方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の内視鏡システムは、異なる複数の波長域の照明光を複数フレームに分けて被検体に順次照射する照明手段と、前記被検体の反射像を各フレーム毎にカラーの撮像素子で撮像することにより、各フレーム毎に複数色の画像信号を取得する画像信号取得手段と、所定フレーム間で同じ色の画像信号について、位置ずれ量を算出するずれ量算出手段と、前記位置ずれ量に基づいて、前記画像信号のうち血中ヘモグロビンの酸素飽和度の算出に用いられる演算用画像信号間の位置合わせを行う位置合わせ手段と、前記位置合わせがされた演算用画像信号に基づいて、前記酸素飽和度を画像化した酸素飽和度画像を生成する酸素飽和度画像生成手段と、前記酸素飽和度画像を表示する表示手段とを備えることを特徴とする。
前記照明手段は、互いに波長域が異なる第１白色光及び第２白色光を、２つの第１及び第２フレームに分けて被検体に順次照射し、前記画像信号取得手段は、前記第１白色光を照射したときに得られる複数色の第１画像信号及び前記第２白色光を照射したときに得られる複数色の第２画像信号を取得し、前記ずれ量算出手段は、前記複数色の第１及び第２画像信号のうち緑色信号間の位置ずれ量を、前記第１及び第２フレーム間の位置ずれ量として算出することが好ましい。前記演算用画像信号は、前記第１画像信号のうちの青色信号、前記第２画像信号のうちの緑色信号及び赤色信号であり、前記青色信号が前記緑色信号及び赤色信号に対して位置合わせされることが好ましい。前記第１及び第２白色光は、互いに波長域が異なる狭帯域光を波長変換部材で波長変換することにより得られる光であることが好ましい。
前記酸素飽和度画像生成手段は、前記演算用画像信号に基づいて、前記血中ヘモグロビンの血液量及び酸素飽和度を含む複数種類の生体機能情報の中から酸素飽和度のみを求め、この求めた酸素飽和度に基づいて、前記酸素飽和度画像を生成することが好ましい。
本発明の内視鏡システムのプロセッサ装置は、異なる複数の波長域の照明光を複数フレームに分けて被検体に順次照射し、前記被検体の反射像を各フレーム毎にカラーの撮像素子で撮像することにより、各フレーム毎に複数色の画像信号を取得する内視鏡装置から、前記画像信号を受信する受信手段と、所定フレーム間で同じ色の画像信号について、位置ずれ量を算出するずれ量算出手段と、前記位置ずれ量に基づいて、前記画像信号のうち血中ヘモグロビンの酸素飽和度の算出に用いられる演算用画像信号間の位置合わせを行う位置合わせ手段と、前記位置合わせがされた演算用画像信号に基づいて、前記酸素飽和度を画像化した酸素飽和度画像を生成する酸素飽和度画像生成手段とを備えることを特徴とする。
本発明の内視鏡システムの作動方法は、照明手段が、異なる複数の波長域の照明光を複数フレームに分けて発するステップと、画像信号取得手段が、被検体を各フレーム毎にカラーの撮像素子で撮像することにより、各フレーム毎に複数色の画像信号を取得するステップと、ずれ量算出手段が、所定フレーム間で同じ色の画像信号について位置ずれ量を算出するステップと、位置合わせ手段が、位置ずれ量に基づいて、画像信号のうち血中ヘモグロビンの酸素飽和度の算出に用いられる演算用画像信号間の位置合わせを行うステップと、酸素飽和度画像生成手段が、位置合わせがされた演算用画像信号に基づいて、酸素飽和度を画像化した酸素飽和度画像を生成するステップとを有することを特徴とする。
本発明によれば、フレーム間で同じ色の画像信号について位置ずれ量を求め、その位置ずれ量に基づいて、酸素飽和度の算出に用いられる演算用画像信号間の位置合わせを行っているため、精度良く位置合わせがされている。そして、このように精度良く位置合わせされた演算用画像信号に基づいて酸素飽和度を画像化することにより、酸素飽和度の情報を正確に表示することが可能となる。
内視鏡システムの外観図である。 内視鏡システムの内部構成を表すブロック図である。 第１及び第２白色光の発光スペクトルを表すグラフである。 カラーの撮像素子に設けられたＢ画素、Ｇ画素、Ｒ画素を示す図である。 Ｂ画素、Ｇ画素、Ｒ画素の分光透過率を示すグラフである。 通常光観察モードにおける撮像素子の撮像制御を説明するための説明図である。 酸素飽和度観察モードにおける撮像素子の撮像制御を説明するための説明図である。 フレーム間のずれ量算出と位置合わせ処理を説明するための図である。 正方形領域Ｒ１におけるＸ方向のずれ量ΔＸ１とＹ方向のずれ量ΔＹ１の算出方法を説明するための図である。 青色信号Ｂ１と緑色信号Ｂ２の位置合わせを説明するための図である。 酸素飽和度と信号比Ｂ１／Ｇ２、Ｒ２／Ｇ２との相関関係を示すグラフである。 ヘモグロビンの吸光係数を示すグラフである。 血液量と信号比Ｒ２／Ｇ２との相関関係を示すグラフである。 図９のグラフにおいて信号比から酸素飽和度を求める方法を説明するためのである。 酸素飽和度観察モードにおける一連の流れを示すフローチャートである。 別の実施形態における内視鏡システムの内部構成を表すブロック図である。 回転フィルタを示す図である。 回転フィルタのＢフィルタ部、Ｇフィルタ部、Ｒフィルタ部、ＢＮフィルタ部の分光透過率を示すグラフである。 別の実施形態の通常光観察モードにおける撮像制御を説明するための図である。 別の実施形態の酸素飽和度観察モードにおける撮像制御を説明するための図である。 別の実施形態におけるフレーム間のずれ量算出と位置合わせ処理を説明するための図である。 青色信号ｂ１と緑色信号ｇ２の位置合わせを説明するための図である。 赤色信号ｒ３と緑色信号ｇ２の位置合わせを説明するための図である。
図１に示すように、内視鏡システム１０は、所定の波長範囲の光を発生する光源装置１１と、光源装置１１からの照明光を被検体の被観察領域に照射し、その反射像を撮像する内視鏡装置１２と、内視鏡装置１２での撮像により得られた画像信号を画像処理するプロセッサ装置１３と、画像処理によって得られた内視鏡画像等を表示する表示装置１４と、キーボード等で構成される入力装置１５とを備えている。
内視鏡装置１２には、操作部１６側から順に、軟性部１７、湾曲部１８、スコープ先端部１９が設けられている。軟性部１７は可撓性を有しているため、屈曲自在にすることができる。湾曲部１８は、操作部１６に配置されたアングルノブ１６ａの回動操作により湾曲自在に構成されている。この湾曲部１８は、被検体の部位等に応じて、任意の方向、任意の角度に湾曲させることができるため、スコープ先端部１９を所望の観察部位に向けることができる。
内視鏡システム１０は、波長範囲が青色から赤色に及ぶ可視光の被検体像からなる通常光画像を表示装置１４に表示する通常光観察モードと、被検体における血中ヘモグロビンの酸素飽和度を画像化した酸素飽和度画像を表示装置１４に表示する酸素飽和度観察モードを備えている。これら観察モードは、内視鏡装置の切り替えスイッチ２１や入力装置１５によって入力される入力情報に基づき、適宜切り替えられる。
図２に示すように、光源装置１１は、２種のレーザ光源ＬＤ１，ＬＤ２と、光源制御部２０とを備えている。レーザ光源ＬＤ１は、中心波長が４７３ｎｍの第１レーザ光を発する。この第１レーザ光は、内視鏡装置１２のスコープ先端部１９に配置された蛍光体５０で、第１白色光（疑似白色光）に波長変換される。レーザ光源ＬＤ２は、中心波長が４４５ｎｍの第２レーザ光を発する。この第２レーザ光も、蛍光体５０によって、第２白色光に波長変換される。なお、第１レーザ光の波長範囲は４４０〜４６０ｎｍにすることが好ましく、第２レーザ光の波長範囲は４６０〜４８０ｎｍにすることが好ましい。
各レーザ光源ＬＤ１，ＬＤ２から発せられる第１または第２レーザ光は、集光レンズ（図示省略）を介してそれぞれ光ファイバ２４，２５に入射する。なお、レーザ光源ＬＤ１，ＬＤ２は、ブロードエリア型のＩｎＧａＮ系レーザダイオードが使用でき、また、ＩｎＧａＮＡｓ系レーザダイオードやＧａＮＡｓ系レーザダイオード等を用いることもできる。
光源制御部２０は、レーザ光源ＬＤ１，ＬＤ２を制御することによって、各レーザ光源ＬＤ１，ＬＤ２の発光タイミングを調節する。本実施形態では、通常光観察モードのときには、レーザ光源ＬＤ２をオンにし、レーザ光源ＬＤ１をオフにする。一方、酸素飽和度観察モードのときには、１フレーム毎にレーザ光源ＬＤ１，ＬＤ２のオン・オフを切り替える。即ち、レーザ光源ＬＤ１をオンにするときにはレーザ光源ＬＤ２をオフにし、レーザ光源ＬＤ１をオフにするときにはレーザ光源ＬＤ２をオンにする。
カプラ２２は、光ファイバ２４からの第１レーザ光を２系統の光に分波し、その２系統の光をライトガイド２８，２９に入射させる。また、カプラ２２は、光ファイバ２５からの第２レーザ光についても、２系統の光に分波してライトガイド２８，２９へと入射させる。ライトガイド２８，２９は多数の光ファイバを束ねたバンドルファイバなどから構成される。
内視鏡装置１２は電子内視鏡から構成され、ライトガイド２８，２９で導光された２系統（２灯）の光を被観察領域に向けて照射する照明部３３と、被観察領域を撮像する１系統の撮像部３４と、内視鏡装置１２と光源装置１１及びプロセッサ装置１３とを着脱自在に接続するコネクタ部３６を備えている。
照明部３３は、撮像部３４の両脇に設けられた２つの照明窓４３，４４を備えており、各照明窓４３，４４は、第１または第２白色光を被観察領域に向けて照射する。撮像部３４は、スコープ先端部１９の略中心位置に、被観察領域からの反射光を受光する１つの観察窓４２を備えている。
照明窓４３，４４の奥には、それぞれ投光ユニット４７，５４が収納されている。各投光ユニット４７，５４は、ライトガイド２８，２９からの第１または第２レーザ光を蛍光体５０に当てて第１または第２白色光を励起発光させ、その第１または第２白色光をレンズ５１を介して被観察領域に向けて照射する。
蛍光体５０は、レーザ光源ＬＤ１，ＬＤ２からの第１または第２レーザ光の一部を吸収して緑色〜赤色に励起発光する複数種の蛍光物質（例えばＹＡＧ系蛍光物質、或いはＢＡＭ（ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７）等の蛍光物質）を含んで構成される。第１または第２レーザ光が蛍光体５０に照射されると、蛍光体５０から発せられる緑色〜赤色の励起発光光（蛍光）と、蛍光体５０により吸収されず透過した第１または第２レーザ光の励起光とが合わされて、白色光（疑似白色光）が生成される。
なお、蛍光体５０は略直方体形状を有していることが好ましい。この場合、蛍光体５０は、蛍光体物質をバインダで略直方体状に固めて形成してもよく、また、無機ガラスなどの樹脂に蛍光体物質を混合したものを略直方体状に形成してもよい。この蛍光体５０は、商品名としてマイクロホワイト（登録商標）（Micro White（ＭＷ））とも呼ばれている。
第１レーザ光が投光ユニット４７，５４に入射したときには、図３に示すように、中心波長４７３ｎｍの第１レーザ光の波長範囲と、その第１レーザ光によって励起発光する蛍光において発光強度が増大する概ね４８０ｎｍ〜７００ｎｍの波長範囲とを有する白色光が被検体に照射される。一方、第２レーザ光が投光ユニット４７，５４に入射したときには、中心波長４４５ｎｍの第２レーザ光の波長範囲と、その第２レーザ光によって励起発光する蛍光において発光強度が増大する概ね４６０ｎｍ〜７００ｎｍの波長範囲とを有する白色光が被検体に照射される。
なお、ここで、本発明でいう白色光とは、厳密に可視光の全ての波長成分を含むものに限らず、例えば、上述した疑似白色光を始めとして、基準色であるＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）等、特定の波長帯の光を含むものであればよい。つまり、本発明のいう白色光には、例えば、緑色から赤色にかけての波長成分を含む光や、青色から緑色にかけての波長成分を含む光等も広義に含まれるものとする。
図２に示すように、観察窓４２の奥には、被検体の被観察領域の像光を取り込むための対物レンズユニット（図示省略）等の光学系が設けられており、さらにその対物レンズユニットの奥には、被観察領域の像光を受光して被観察領域を撮像するＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）などの撮像素子６０が設けられている。
撮像素子６０は、対物レンズユニットからの光を受光面（撮像面）で受光し、受光した光を光電変換して撮像信号（アナログ信号）を出力する。撮像素子６０はカラーＣＣＤであり、図４Ａに示すように、その受光面には、Ｂ色のカラーフィルタが設けられたＢ画素６０ｂ、Ｇ色のカラーフィルタが設けられたＧ画素６０ｇ、Ｒ色のカラーフィルタが設けられたＲ画素６０ｒを１組とする画素群が、マトリックス状に配列されている。Ｂ色、Ｇ色、Ｒ色のカラーフィルタは、図４Ｂの曲線６３，６４，６５に示すように、それぞれ青色帯域、緑色帯域、赤色帯域に分光透過率を有している。したがって、被検体内で反射した第１または第２白色光は、Ｒ色、Ｇ色、Ｂ色のカラーフィルタの全てを透過する。
図２に示すように、撮像素子６０から出力される撮像信号（アナログ信号）は、スコープケーブル６７を通じてＡ／Ｄ変換器６８に入力される。Ａ／Ｄ変換器６８は、撮像信号（アナログ信号）をその電圧レベルに対応する画像信号（デジタル信号）に変換する。変換後の画像信号は、コネクタ部３６を介して、プロセッサ装置１３の画像処理部７３に入力される。
撮像制御部７０は撮像素子６０の撮像制御を行う。図５Ａに示すように、通常光観察モード時には、１フレーム期間内で、第２白色光（４４５ｎｍ＋蛍光体（本実施形態では４４５ｎｍの第２レーザ光を蛍光体５０に当てて白色光を発生させるため、このように表記する））を光電変換して得られる電荷を蓄積するステップと、蓄積した電荷を読み出すステップの合計２ステップが行われる。これは通常光観察モードに設定されている間、繰り返し行われる。
一方、酸素飽和度観察モード時には、図５Ｂに示すように、まず最初の１フレーム目で、第１白色光（４７３ｎｍ＋ＭＷ（本実施形態では４７３ｍの第１レーザ光を蛍光体５０に当てて白色光を発生させるため、このように表記する））を光電変換して得られる電荷を蓄積するステップと、蓄積した電荷を読み出すステップの合計２ステップが行われる。そして、次の２フレーム目で、第２白色光を光電変換して得られる電荷を蓄積するステップと、蓄積した電荷を読み出すステップの合計２ステップが１フレーム期間内に行われる。これら合計２フレームの撮像制御は、酸素飽和度観察モードに設定されている間、繰り返し行われる。
この酸素飽和度観察モードにおいては、１フレーム目に、撮像素子６０のＢ画素から青色信号Ｂ１が出力され、Ｇ画素から緑色信号Ｇ１が出力され、Ｒ画素から出力される赤色信号Ｒ１が出力される。また、２フレーム目には、Ｂ画素から青色信号Ｂ２が出力され、Ｇ画素から緑色信号Ｇ２が出力され、Ｒ画素から赤色信号Ｒ２が出力される。
図２に示すように、プロセッサ装置１３は、制御部７２と、画像処理部７３と、記憶部７４とを備えており、制御部７２には表示装置１４及び入力装置１５が接続されている。制御部７２は、内視鏡装置１２の切り替えスイッチ２１や入力装置１５から入力される入力情報に基づいて、画像処理部７３、光源装置１１の光源制御部２０、内視鏡装置１２の撮像制御部７０、及び表示装置１４の動作を制御する。
画像処理部７３は通常光画像処理部８０と酸素飽和度画像処理部８１とを備えており、内視鏡装置１２からの画像信号に対して、所定の画像処理を施す。通常光画像処理部８０は、通常光観察モード時に得られる画像信号に対して所定の画像処理を施すことによって、通常光画像を生成する。
酸素飽和度画像処理部８１は、内視鏡装置１２から入力される画像信号に基づいて、被検体の血中ヘモグロビンの酸素飽和度を算出するとともに、酸素飽和度を画像化した酸素飽和度画像を生成する。この酸素飽和度画像処理部８１においては、図６に示すように、酸素飽和度の算出用の画像信号として、１フレーム目の青色信号B１、２フレーム目の緑色信号G２及び赤色信号R２を使用する。
また、酸素飽和度を算出する前には、酸素飽和度算出用の信号B１，G２，R２間の位置ズレ（１フレーム目と２フレーム目間での色ズレや位置ズレ）を補正するために、位置合わせ処理を行う。フレーム間のずれ量としては、像構造が似ている信号間でのずれ量とすることが好ましい。これに関しては、異なる色の信号（例えば青色信号と赤色信号）よりも、同じ色の信号のほうが、似た像構造が撮影されている可能性が高い。これは、内視鏡装置１２によって得られる画像は、血管などの波長依存性を有する被写体が多く存在する状況で撮影されたものであるため、波長が異なる（色が異なる）場合には、異なる像構造が撮影されている可能性が高いためである。したがって、本実施形態では、緑色信号G１、G２から、フレーム間のずれ量を求める。
酸素飽和度画像処理部８１では、ずれ量算出部８２と、位置合わせ部８３と、信号比算出部８４と、相関関係記憶部８５と、酸素飽和度算出部８６と、酸素飽和度画像生成部８８とを備えている。ずれ量算出部８２は、１フレーム目の画像信号と２フレーム目の画像信号間のずれ量ΔＦを算出する。ずれ量ΔＦは、信号特性が類似している１フレーム目の緑色信号Ｇ１と２フレーム目の緑色信号Ｇ２とから求める。まず、図７（Ａ）に示すように、緑色信号Ｇ１，Ｇ２の全画素を、縦３×横３の９つの正方形領域Ｒ１〜Ｒ９に分割する。ここで、緑色信号Ｇ１，Ｇ２などの画像信号における縦方向をＸ方向とし、横方向をＹ方向とする。
次に、図７（Ｂ）に示すように、緑色信号Ｇ１の正方形領域Ｒ１について、Ｘ方向の累積ヒストグラムＨＸ１とＹ方向の累積ヒストグラムＨＹ１を生成する。累積ヒストグラムは、正方形領域Ｒ１内のＸ方向またはＹ方向における画素値の頻度（出現回数）を表すものであり、縦軸は頻度を表し、横軸は画素値を表している。緑色信号Ｇ２の正方形領域Ｒ１についても、同様に、Ｘ方向の累積ヒストグラムＨＸ２とＹ方向の累積ヒストグラムＨＹ２を生成する。
次に、図７（Ｃ）に示すように、累積ヒストグラムＨＸ１と累積ヒストグラムＨＸ２との比較演算によって、正方形領域Ｒ１におけるＸ方向のずれ量ΔＸ１を求める。このとき、それぞれの累積ヒストグラムＨＸ１，ＨＸ２におけるパターンが略同じである場合は、ずれ量ΔＸ１は「０」又は極めて小さい。そして、それぞれのパターンの違いが大きくなるほど、ずれ量ΔＸ１も大きくなる。同様にして、累積ヒストグラムＨＹ１と累積ヒストグラムＨＹ２との比較演算によって、正方形領域Ｒ１におけるＹ方向のずれ量ΔＹ１を求める。
正方形領域Ｒ１におけるずれ量ΔＸ１，ΔＹ１が求まったら、上記と同様にして、その他の正方形領域Ｒ２〜Ｒ９のずれ量ΔＸ２〜ΔＸ９，ΔＹ２〜ΔＹ９を求める。緑色信号Ｇ１，Ｇ２の正方形領域Ｒｎの全てについてずれ量ΔＸ１〜ΔＸ９、ΔＹ１〜ΔＹ９が求まったら、下記の（式１）、（式２）に示すように、信号全体としてのＸ方向のずれ量ΔＦｘとＹ方向のずれ量ΔＦｙを求める。これらずれ量ΔＦｘ、ΔＦｙが、１フレーム目と２フレーム目のフレーム間のずれ量に相当する。
ΔＦｘ＝ΔＸ１＋ΔＸ２＋・・・＋ΔＸ９ （式１）
ΔＦｙ＝ΔＹ１＋ΔＹ２＋・・・＋ΔＹ９ （式２）
位置合わせ部８３は、ずれ量算出部８２で求めたフレーム間のずれ量ΔＦｘ、ΔＦｙを用いて、酸素飽和度の算出に用いる１フレーム目の青色信号Ｂ１、２フレーム目の緑色信号Ｇ２、２フレーム目の赤色信号Ｒ２間の位置合わせを行う。位置合わせ部８３は、図８に示すように、フレーム間のずれを打ち消す方向に、１フレーム目の青色信号Ｂ１をずれ量ΔＦｘ、ΔＦｙ分だけ移動させる。これにより、フレーム間のずれが解消され、１フレーム目の青色信号Ｂ１と、２フレーム目の緑色信号Ｇ２と赤色信号Ｒ２の画素の位置が合う。これにより、正確に酸素飽和度を算出することができるようになる。なお、これとは反対に、２フレーム目の信号（Ｇ２，Ｒ２）を移動させて１フレーム目に合わせてもよい。
信号比算出部８４は、位置合わせされた１フレーム目の青色信号Ｂ１と２フレーム目の緑色信号Ｇ２との信号比Ｂ１／Ｇ２と、２フレーム目の緑色信号Ｇ２と赤色信号Ｒ２との信号比Ｒ２／Ｇ２とを求める。信号比算出部８４では、信号比を求める際、信号間で同じ位置にある画素間の信号比を算出する。また、信号比は画像信号の全ての画素に対して算出される。なお、信号比は画像信号のうち血管部分の画素のみ求めてもよい。この場合、血管部分は、血管部分の画像信号とそれ以外の部分の画像信号との差に基づいて特定される。
相関関係記憶部８５は、信号比Ｂ１／Ｇ２及びＲ２／Ｇ２と酸素飽和度との相関関係を記憶している。この相関関係は、図９に示すように、二次元空間上に酸素飽和度の等高線を定義した２次元テーブルで記憶されている。この等高線の位置、形は光散乱の物理的なシミュレーションで得られ、血液量に応じて変わるように定義されている。例えば、血液量の変化があると、各等高線間の間隔が広くなったり、狭くなったりする。なお、信号比Ｂ１／Ｇ２，Ｒ２／Ｇ２はlogスケールで記憶されている。
上記相関関係は、図１０に示すような酸化ヘモグロビンや還元ヘモグロビンの吸光特性や光散乱特性と密接に関連性し合っている。ここで、曲線９０は酸化ヘモグロビンの吸光係数を、曲線９１は還元ヘモグロビンの吸光係数を示している。例えば、４７３ｎｍのように吸光係数の差が大きい波長では、酸素飽和度の情報を取り易い。しかしながら、４７３ｎｍの光に対応する信号を含む青色信号Ｂ１は、酸素飽和度だけでなく血液量にも依存度が高い。そこで、青色信号Ｂ１に加え、主として血液量に依存して変化する光に対応する赤色信号Ｒ２と、青色信号Ｂ２と赤色信号Ｒ２のリファレンス信号（規格化用信号）となる緑色信号Ｇ２から得られる信号比Ｂ１／Ｇ２及びＲ２／Ｇ２を用いることで、血液量に依存することなく、酸素飽和度を正確に求めることができる。
なお、相関関係記憶部８５には、図１１に示すように、信号比Ｒ１／Ｇ１と血液量との相関関係についても記憶されている。この相関関係は、信号比Ｒ１／Ｇ１が大きくなればなるほど血液量も大きくなるように定義される１次元テーブルとして記憶されている。この信号比Ｒ１／Ｇ１と血液量の相関関係は血液量の算出時に用いられる。
また、血中ヘモグロビンの吸光係数の波長依存性から、以下のことが言える。
・波長４７０ｎｍ近辺（例えば、中心波長４７０ｎｍ±１０ｎｍの青色の波長領域）では酸素飽和度の変化に応じて吸光係数が大きく変化する。
・５４０〜５８０ｎｍの緑色の波長範囲で平均すると、酸素飽和度の影響を受けにくい。
・５９０〜７００ｎｍの赤色の波長範囲では、酸素飽和度によって一見吸光係数が大きく変化するように見えるが、吸光係数の値自体が非常に小さいので、結果的に酸素飽和度の影響を受けにくい。
また、図９に示すように、信号比Ｒ２／Ｇ２が大きくなるのに従って、信号比Ｂ１／Ｇ２の信号値も大きくなるの（酸素飽和度＝０％限界の等高線が斜め上方にスライドする）は、以下の理由からである。上記したように、信号比Ｒ２／Ｇ２は血液量と相関関係があるため、信号比Ｒ２／Ｇ２が大きくなるほど血液量も大きくなる。信号Ｂ１、Ｇ２、Ｒ２の中で、血液量の増加によって信号値の低下が一番大きくなるのは、緑色信号Ｇ２であり、その次が青色信号Ｂ１である。これは、緑色信号Ｇ２に含まれる波長成分の５４０〜５８０ｎｍの吸光係数が、青色信号Ｂ１に含まれる波長成分の４７０ｎｍ付近の吸光係数よりも高いためである（図１０参照）。したがって、信号比Ｂ１／Ｇ２においては、血液量が大きくなるほど、分子のＢ１の信号値の低下よりも分母のＧ２の信号値の低下の方が大きくなる。即ち、信号比Ｂ１／Ｇ２は、血液量が大きくなるにつれて、大きくなる。
酸素飽和度算出部８６は、相関関係記憶部８５に記憶された相関関係と信号比算出部８４で求めた信号比Ｂ１／Ｇ２、Ｒ２／Ｇ２とを用いて、各画素における酸素飽和度を求める。図１２に示すように、相関関係記憶部８５に記憶した相関関係から、信号比算出部で求めた信号比Ｂ１＊／Ｇ２＊、Ｒ２＊／Ｇ２＊に対応する対応点Ｐを特定する。そして、対応点Ｐが酸素飽和度＝０％限界の下限ライン９３と酸素飽和度＝１００％限界の上限ライン９４との間にある場合に、その対応点Ｐが示すパーセント値を酸素飽和度とする。例えば、図１２の場合であれば、対応点Ｐは６０％の等高線上に位置するため、酸素飽和度は６０％となる。
一方、対応点が下限ライン９３と上限ライン９４との間から外れている場合、対応点が下限ライン９３よりも上方に位置するときには酸素飽和度を０％とし、対応点が上限ライン９４よりも下方に位置するときには酸素飽和度を１００％とする。なお、対応点が下限ライン９３と上限ライン９４との間から外れている場合には、その画素における酸素飽和度の信頼度を下げて表示装置１４上に表示しないようにしてもよい。
酸素飽和度画像生成部８８は、酸素飽和度算出部８６で求めた酸素飽和度に基づき、酸素飽和度画像を生成する。生成された酸素飽和度画像は表示装置１４に表示される。生成される酸素飽和度画像としては、例えば、酸素飽和度に応じて異なる色（通常光画像で使う色とは異なる疑似色を使うため「疑似カラー」と呼ばれる）で表示する方法の他、酸素飽和度が一定値を下回った低酸素領域にのみ疑似カラーで表示し、それ以外の領域については通常の色（通常光画像で使用する色）で表示する方法がある。
次に、本発明の作用について図１３のフローチャートに沿って説明する。内視鏡装置の切り替えスイッチ２１によって、酸素飽和度観察モードに切り替えられると、中心波長４７３ｎｍの第１レーザ光で第１白色光を蛍光体５０から励起発光させ、この第１白色光を被検体内に照射する。被検体からの反射光等は、Ｂ画素、Ｇ画素、Ｒ画素からなるカラーＣＣＤである撮像素子６０で撮像される。これにより、青色信号Ｂ１、緑色信号Ｇ１、赤色信号Ｒ１からなる１フレーム目の画像信号が得られる。
１フレーム目の画像信号が得られると、中心波長４４５ｎｍの第２レーザ光で第２白色光を蛍光体５０から励起発光させ、この第２白色光を被検体内に照射する。被検体からの反射光等を撮像素子６０で撮像することにより、青色信号Ｂ２、緑色信号Ｇ２、赤色信号Ｒ２からなる２フレーム目の画像信号が得られる。
２フレーム目の画像信号が得られると、ずれ量算出部８２は、１フレーム目の緑色信号Ｇ１と２フレーム目の画像信号Ｇ２から、フレーム間におけるＸ方向のずれ量ΔＦｘ、Ｙ方向のΔＦｙを算出する。これらずれ量ΔＦｘ、ΔＦｙは、緑色信号Ｇ１、Ｇ２における９つの正方形領域Ｒ１〜Ｒ９間のずれ量に基づいて、算出される。そして、算出されたずれ量ΔＦｘ、ΔＦｙに基づき、酸素飽和度の算出に用いられる青色信号Ｂ１、緑色信号Ｇ２、赤色信号Ｒ２間の位置合わせを行う。
次に、信号比算出部８４により、１フレーム目の画像信号と２フレーム目の画像信号間で同じ位置にある画素について、信号比Ｂ１／Ｇ２、Ｒ２／Ｇ２を求める。信号比は全ての画素について求める。信号比が求まると、酸素飽和度算出部８６は、相関関係記憶部８５に記憶している相関関係から、信号比算出部８４で求めた信号比Ｂ１／Ｇ２、Ｒ２／Ｇ２に対応する酸素飽和度を求める。酸素飽和度は、全ての画素について求める。そして、求めた酸素飽和度に基づいて、酸素飽和度画像を生成する。生成した酸素飽和度画像は、表示装置１４に表示される。
なお、上記実施形態では、半導体光源の照明光を用いて被検体内の照明を行ったが、これに代えて、キセノンランプなどの白色光源の広帯域光から回転フィルタで波長分離した光を用いて、照明を行ってもよい（回転フィルタ方式）。この場合、内視鏡システム１０に代えて、図１４に示す内視鏡システム１００が使用される。この内視鏡システム１００は、内視鏡装置１０１、光源装置１０２が異なっている以外は、内視鏡システム１０と同様の構成を備えている。したがって、以下においては、内視鏡装置１０１及び光源装置１０２の構成とそれに関連する部分を説明し、その他については説明を省略する。
内視鏡装置１０１は、スコープ先端部の照明部３３に蛍光体５０が設けられていない点が内視鏡装置１２と異なる。そのため、光源装置１０２からの光は、ライトガイド２８，２９を介して、そのまま被検体内に照射される。それ以外については、内視鏡装置１０１は、内視鏡装置１２と同様の構成を備えている。
光源装置１０２は、広帯域光ＢＢ（４００〜７００ｎｍ）を発する白色光源１１０と、この白色光源１１０からの広帯域光ＢＢをＢ、Ｇ、Ｒの３色の光に色分離する回転フィルタ１１２と、回転フィルタ１１２の回転軸に接続され、一定の回転速度で回転フィルタを回転させるモータ１１３と、回転フィルタ１１２を半径方向にシフトさせるシフト部１１４を備えている。
白色光源１１０は、広帯域光ＢＢを放射する光源本体１１０ａと、広帯域光ＢＢの光量を調整する絞り１１０ｂとを備えている。光源本体１１０ａはキセノンランプ、ハロゲンランプ、メタルハライドなどから構成される。絞り１１０ｂの開度は、光量制御部（図示省略）によって調節される。
図１５に示すように、回転フィルタ１１２は、モータ１１３に接続された回転軸１１２ａを回転中心として回転する。この回転フィルタ１１２には、回転軸１１２がある回転中心から順に、半径方向に沿って、青色の透過帯域が異なる第１フィルタ領域と第２フィルタ領域１２０，１２１が設けられている。これら第１及び第２フィルタ領域１２０，１２１のうちのいずれかが、モードに応じて、広帯域光ＢＢの光路上にセットされる。第１フィルタ領域１２０は、通常光観察モード時に広帯域光ＢＢの光路上にセットされ、第２フィルタ領域１２１は、酸素飽和度観察モード時に広帯域光ＢＢの光路上にセットされる。各フィルタ領域１２０，１２１の切替は、シフト部１１４により回転フィルタ１１２を半径方向にシフトさせることによって、行われる。
第１フィルタ領域１２０は、中心角が１２０°の扇型の領域に、それぞれＢフィルタ部１２０ａ、Ｇフィルタ部１２０ｂ、Ｒフィルタ部１２０ｃが設けられている。図１６に示すように、Ｂフィルタ部１２０ａは広帯域光ＢＢから青色帯域（３８０〜５００nm）のＢ光を透過させ、Ｇフィルタ部１２０ｂは広帯域光ＢＢから緑色帯域（４５０〜６３０nm）のＧ光を透過させ、Ｒフィルタ部１２０ｃは広帯域光ＢＢから赤色帯域（５８０〜７６０nm）のＲ光を透過させる。したがって、回転フィルタ１１２の回転によって、回転フィルタ１１２からＢ光、Ｇ光、Ｒ光が順次出射する。これらＢ光、Ｇ光、Ｒ光は、集光レンズ１１６及び光ファイバ１１７を通して、ライドガイド２８，２９に入射する。
第２フィルタ領域１２１は、中心角が１２０°の扇型の領域に、ＢＮフィルタ部１２１ａと、Ｇフィルタ部１２０ｂ、Ｒフィルタ部１２０ｃと同様の光透過特性を持つＧフィルタ部１２１ｂ、Ｒフィルタ部１２１ｃが設けられている。図１６に示すように、ＢＮフィルタ部１２１ａは広帯域光ＢＢから、波長範囲４５０〜５００nmの青色狭帯域光ＢＮを透過させる。一方、Ｇフィルタ部１２１ｂ，Ｒフィルタ部１２１ｃは、Ｇフィルタ部１２０ｂ及びＲフィルタ部１２０ｃと同様に、緑色帯域（４５０〜６３０nm）のＧ光と赤色帯域（５８０〜７６０nm）のＲ光を透過させる。したがって、回転フィルタ１１２の回転によって、回転フィルタ１１２からＢＮ光、Ｇ光、Ｒ光が順次出射する。これらＢＮ光、Ｇ光、Ｒ光は、集光レンズ１１６及び光ファイバ１１７を通して、ライドガイド２８，２９に入射する。
以上のように、内視鏡システム１００では、回転フィルタ方式を採用しているため、撮像制御が内視鏡システム１０と異なる。通常光観察モードにおいては、図１７Ａに示すように、Ｂ、Ｇ、Ｒの三色の像光をカラーの撮像素子６０で順次撮像して電荷を蓄積し、この蓄積した電荷に基づいて面順次撮像信号（各色の像光に対応する青色信号、緑色信号、赤色信号（合計９つの信号））を順次出力する。この一連の動作は、通常光観察モードに設定されている間、繰り返される。これら出力された面順次撮像信号のうち、Ｂ光に対応する青色信号、Ｇ光に対応する緑色信号、Ｒ光に対応する赤色信号に基づき、通常光画像が生成される。
一方、酸素飽和度観察モードにおいては、図１７Ｂに示すように、青色狭帯域光ＢＮ、Ｇ光、Ｒ光の３つの光の像光をカラーの撮像素子６０で順次撮像して電荷を蓄積し、この蓄積した電荷に基づいて面順次撮像信号を順次出力する。こうした動作が酸素飽和度観察モードに設定されている間、繰り返される。なお、青色狭帯域光ＢＮの像光を撮像したとき（１フレーム目）の青色信号、緑色信号、赤色信号をｂ１、ｇ１、ｒ１とし、Ｇ光の像光を撮像したとき（２フレーム目）の青色信号、緑色信号、赤色信号をｂ２、ｇ２、ｒ２とし、Ｒ光の像光を撮像したとき（３フレーム目）の青色信号、緑色信号、赤色信号をｂ３、ｇ３、ｒ３とする。
内視鏡システム１００における酸素飽和度の算出は、上記実施形態と異なり、１フレーム目の青色信号ｂ１、２フレーム目の緑色信号ｇ２、３フレーム目の赤色信号ｒ３を用いて行われる。これら信号ｂ１、ｇ２、ｒ３は、酸素飽和度を算出する前に、青色信号ｂ１、赤色信号ｒ３を緑色信号ｇ２に位置合わせする位置合わせ処理が行われる。なお、青色信号ｂ１に含まれる波長成分（４５０〜５００nm）と、上記実施形態の青色信号Ｂ１に含まれる波長成分（中心波長４７３nm）とはそれぞれ異なっているが、いずれの波長成分も酸化ヘモグロビンの吸光係数が還元ヘモグロビンの吸光係数よりも大きい。したがって、その波長成分の違いは、酸素飽和度の算出には大きく影響を与えない。
この位置合わせ処理では、図１８に示すように、まず、１フレームと２フレーム間の第１ずれ量と、２フレームと３フレーム間の第２ずれ量を求める。第１ずれ量は、互いに信号特性や像構造が似ている緑色信号ｇ１、ｇ２間のずれ量とする。この第１ずれ量については、上記実施形態のずれ量算出方法を用いて、信号ｇ１、ｇ２間におけるＸ方向のずれ量ΔＦ１ｘとＹ方向のずれ量ΔＦ１ｙを求める。また、第２ずれ量は、互いに信号特性や像構造が似ている赤色信号ｒ２、ｒ３間のずれ量（第２ずれ量）とする。この第２ずれ量については、上記実施形態のずれ量算出方法を用いて、信号ｒ２、ｒ３間におけるＸ方向のずれ量ΔＦ２ｘとＹ方向のずれ量ΔＦ２ｙを求める。
上記のように、フレーム間でのずれ量が求まると、図１９に示すように、１フレームと２フレーム間のずれを打ち消す方向に、１フレーム目の青色信号ｂ１をずれ量ΔＦ１ｘ、ΔＦ１ｙ分だけ移動させる。これにより、１フレーム目の青色信号ｂ１と、２フレーム目の緑色信号ｇ２間でのずれが解消され、信号間で位置が合うようになる。また、図２０に示すように、２フレームと３フレーム間のずれを打ち消す方向に、３フレーム目の赤色信号ｒ３をずれ量ΔＦ２ｘ、ΔＦ２ｙ分だけ移動させる。これにより、２フレーム目の緑色信号ｇ２と、３フレーム目の赤色信号ｒ３間でのずれが解消され、信号間で位置が合うようになる。
これら位置合わせがされた青色信号ｂ１、緑色信号ｇ２、赤色信号ｒ３に基づいて、酸素飽和度の算出が行われる。各信号ｂ１、ｇ２、ｒ３間の位置は合っているため、正確に酸素飽和度を算出することができる。酸素飽和度の算出は、上記実施形態と同様の方法で行われる。なお、上記実施形態の信号比Ｂ１／Ｇ２に対応する信号比としてｂ１／ｇ２を用い、上記実施形態の信号比Ｒ２／Ｇ２に対応する輝度比としてｒ３／ｇ２を用いる。これに伴って、相関関係記憶部８５には、信号比ｂ１／ｇ２及びｒ３／ｇ２と酸素飽和度との相関関係が記憶されている。
なお、本発明では、酸素飽和度の画像化を行ったが、これに代えて又は加えて、「血液量（酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの和）×酸素飽和度（％）」から求まる酸化ヘモグロビンインデックスや、「血液量×（１００−酸素飽和度）（％）」から求まる還元ヘモグロビンインデックスの画像化を行ってもよい。
１０，１００ 内視鏡システム
１１，１０２ 光源装置
１２ 内視鏡装置
１３ プロセッサ装置
８２ ずれ量算出部
８３ 位置合わせ部
８６ 酸素飽和度算出部
８８ 酸素飽和度画像生成部

Claims (7)

  1. 異なる複数の波長域の照明光を複数フレームに分けて被検体に順次照射する照明手段と、
    前記被検体の反射像を各フレーム毎にカラーの撮像素子で撮像することにより、各フレーム毎に複数色の画像信号を取得する画像信号取得手段と、
    所定フレーム間で同じ色の画像信号について、位置ずれ量を算出するずれ量算出手段と、
    前記位置ずれ量に基づいて、前記画像信号のうち血中ヘモグロビンの酸素飽和度の算出に用いられる演算用画像信号間の位置合わせを行う位置合わせ手段と、
    前記位置合わせがされた演算用画像信号に基づいて、前記酸素飽和度を画像化した酸素飽和度画像を生成する酸素飽和度画像生成手段と、
    前記酸素飽和度画像を表示する表示手段とを備えることを特徴とする内視鏡システム。
  2. 前記照明手段は、互いに波長域が異なる第１白色光及び第２白色光を、２つの第１及び第２フレームに分けて被検体に順次照射し、
    前記画像信号取得手段は、前記第１白色光を照射したときに得られる複数色の第１画像信号及び前記第２白色光を照射したときに得られる複数色の第２画像信号を取得し、
    前記ずれ量算出手段は、前記複数色の第１及び第２画像信号のうち緑色信号間の位置ずれ量を、前記第１及び第２フレーム間の位置ずれ量として算出することを特徴とする請求項１記載の内視鏡システム。
  3. 前記演算用画像信号は、前記第１画像信号のうちの青色信号、前記第２画像信号のうちの緑色信号及び赤色信号であり、前記青色信号が前記緑色信号及び赤色信号に対して位置合わせされることを特徴とする請求項２記載の内視鏡システム。
  4. 前記第１及び第２白色光は、互いに波長域が異なる狭帯域光を波長変換部材で波長変換することにより得られる光であることを特徴とする請求項２または３記載の内視鏡システム。
  5. 前記酸素飽和度画像生成手段は、前記演算用画像信号に基づいて、前記血中ヘモグロビンの血液量及び酸素飽和度を含む複数種類の生体機能情報の中から酸素飽和度のみを求め、
    この求めた酸素飽和度に基づいて、前記酸素飽和度画像を生成することを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載の内視鏡システム。
  6. 異なる複数の波長域の照明光を複数フレームに分けて被検体に順次照射し、前記被検体の反射像を各フレーム毎にカラーの撮像素子で撮像することにより、各フレーム毎に複数色の画像信号を取得する内視鏡装置から、前記画像信号を受信する受信手段と、
    所定フレーム間で同じ色の画像信号について、位置ずれ量を算出するずれ量算出手段と、
    前記位置ずれ量に基づいて、前記画像信号のうち血中ヘモグロビンの酸素飽和度の算出に用いられる演算用画像信号間の位置合わせを行う位置合わせ手段と、
    前記位置合わせがされた演算用画像信号に基づいて、前記酸素飽和度を画像化した酸素飽和度画像を生成する酸素飽和度画像生成手段とを備えることを特徴とする内視鏡システムのプロセッサ装置。
  7. 照明手段が、異なる複数の波長域の照明光を複数フレームに分けて発するステップと、
    画像信号取得手段が、被検体を各フレーム毎にカラーの撮像素子で撮像することにより、各フレーム毎に複数色の画像信号を取得するステップと、
    ずれ量算出手段が、所定フレーム間で同じ色の画像信号について位置ずれ量を算出するステップと、
    位置合わせ手段が、前記位置ずれ量に基づいて、前記画像信号のうち血中ヘモグロビンの酸素飽和度の算出に用いられる演算用画像信号間の位置合わせを行うステップと、
    酸素飽和度画像生成手段が、前記位置合わせがされた演算用画像信号に基づいて、前記酸素飽和度を画像化した酸素飽和度画像を生成するステップとを有することを特徴とする内視鏡システムの作動方法。
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